宇宙为什么不按计划生长

我们生活在一个由暗能量和暗物质主导的宇宙中。暗能量是一种神秘的力量，它使得宇宙加速膨胀，而暗物质是一种看不见的物质，它通过引力作用于普通物质，形成星系和星团等大尺度结构。这两种成分分别占据了宇宙能量密度的约70%和25%，而我们熟悉的原子物质只占据了不到5%。

我们可以用一种简单而优美的理论来描述这个宇宙：广义相对论加上一个常数Λ，即爱因斯坦方程中的一个额外项，代表着暗能量。这个理论被称为ΛCDM模型，其中CDM代表冷暗物质，是一种速度很慢的暗物质。这个模型可以很好地解释许多观测数据，比如宇宙微波背景辐射的温度涨落、星系红移巡天的密度扰动、超新星的距离-亮度关系等。

然而，最近有一些新的证据表明，这个模型可能并不完美。一些来自不同数据源的研究发现，宇宙中大尺度结构的生长速率似乎比ΛCDM模型预测的要慢。换句话说，宇宙中的密度扰动似乎没有按照理论计划那样增长。这些数据源包括：弱引力透镜、星系聚类和宇宙速度场。

这些数据源都可以给出一个重要的参数：fσ8，其中f是扰动增长率，σ8是8赫兹球内的密度涨落标准差。这个参数反映了宇宙中结构形成的强度。如果ΛCDM模型正确，那么fσ8应该随着红移z（即观测时刻与现在时刻之间的相对时间差）而变化，并且可以用一个简单的公式来表示：

其中Ωm(z)是物质能量密度占总能量密度的比例。这个公式中的0.55是一个特殊的数字，叫做增长指数γ。它是由广义相对论在平坦ΛCDM模型下推导出来的。

但是，当我们把不同数据源得到的fσ8值拿来比较时，我们发现了一个惊人的事实，它们之间并不一致！

这个结果意味着什么呢？它意味着宇宙中大尺度结构的生长速率比ΛCDM模型预测的要慢，或者说，宇宙中存在一种抑制结构生长的机制。这种机制可能是由于暗能量的性质不同于常数Λ，或者是由于引力理论不同于广义相对论，或者是由于我们忽略了一些重要的物理过程。

为了更好地理解这个问题，我们可以用一个更一般的公式来表示fσ8：

这里我们把增长指数γ当作一个自由参数，而不是固定为0.55。这样，我们就可以用不同的数据源来拟合γ的值，看看它是否与0.55一致。如果不一致，那么就说明ΛCDM模型有问题。

我们用最新的CMB、WL、GC和CV数据来做这个拟合，得到了下面的结果：宇宙微波背景数据给出γ=0.554±0.024，与0.55一致；微引力透镜数据给出γ=0.638±0.032；星系聚类数据给出γ=0.629±0.031；宇宙速度场数据给出γ=0.633±0.025。所有数据结合起来给出γ=0.633，与0.55不一致，偏高。

这些结果清楚地表明，宇宙中大尺度结构的生长速率被抑制了，并且这种抑制在暗能量占主导地位的时期（即低红移时期）更明显。这也解释了为什么CMB数据与其他数据源不一致，因为CMB数据反映了高红移时期（即暗能量还没有占主导地位时期）的情况。

那么，这个结果对我们对宇宙的认识有什么影响呢？首先，它意味着ΛCDM模型可能需要修正。我们可能需要考虑一些更复杂的暗能量模型或者更广泛的引力理论来解释这个现象。其次，它意味着我们对物质密度涨落幅度S8的估计可能有误。S8是一个重要的参数，它反映了宇宙中结构形成的程度。如果我们用ΛCDM模型来推断S8，那么我们会得到一个比实际值低的结果。这也可能导致一些观测上的矛盾，比如星系和星团数目与理论预测不符。